Работы по металлу

Определение степени нагрева осуществляется с помощью специальных приборов – термопаров и пирометров. Но в условиях обычной кузницы проще и вернее определять ее на глаз. На разных степенях каления металлы окрашиваются в разные цвета, которые при остывании меняются в обратном порядке.

При дневном освещении в тени температуры нагрева соответствуют следующим цветам:

– 530–580 °C – темно-коричневый;

– 580–650 °C – красно-коричневый;

– 650–730 °C – темно-красный;

– 730–780 °C – вишневый;

– 780–830 °C – светло-вишневый;

– 830–900 °C – красный;

– 900–1050 °C – светло-красный;

– 1050–1150 °C – соломенно-желтый;

– 1150–1250 °C – лимонно-желтый;

– 1250–1400 °C – ослепительно белый.

Режимы нагрева

Правильный режим нагрева имеет большое значение для качественной последующей обработки. Обязательно нужно учитывать температурный интервал, верно определять время нагрева заготовки, чтобы не допустить пережигания или недокала.

Обычно ковку начинают при 1100° C и заканчивают при 700 °C. Следует помнить о том, что при длительном нагреве углерод стали выгорает прежде всего с поверхности. Если надо закалить изделие после ковки, долго греть заготовку нельзя. Лучше увеличить температуру в очаге горна.

Нижняя граница ковки должна превышать отметку 723 °C, выше которой кристаллическая решетка металла меняет свою структуру на гранецентрированную кубическую. В этом состоянии сталь имеет наибольшую пластичность.

Определение верхней границы ковки зависит от температуры плавления: она должна быть на 100–150 °C ниже последней. При превышении этого предела начинается резкое увеличение размеров зерен металла, что приводит к уменьшению пластических свойств. Такой дефект называется перегревом. Его можно устранить, проведя дополнительную ковку, после которой зернистость уменьшается, и подвергнув металл повторной термической обработке.

Нагрев до более высоких температур в горне приводит к тому, что материал начинает плавиться, вследствие чего большое количество углерода и других газов проникает в его нижние слои. Там происходит активное окисление, которое в кузнечном деле называется пережогом. Связь между зернами нарушается, и металл навсегда теряет пластичность.

Нагревание сплавов следует производить в строго ограниченном температурном промежутке, который определяется свойствами материала. Он обозначается буквами Тн и Тк – температура начала и конца ковки.

При приближении к Тк у металла устанавливается мелкозернистая структура, которая обеспечивает высокую пластичность, поэтому при нагревании его стремятся доводить до этой температуры. Такой режим позволяет дольше ковать изделие. Но, с другой стороны, при долгом повышении температуры с поверхности начинает выгорать углерод. Деталь после этого будет очень трудно закалить. Поэтому режим следует выбирать заранее, с учетом поставленной задачи.

Интервал, в котором можно проводить ковку, у разных марок стали различный. Самый широкий (до 500 °C) имеют малоуглеродистые сорта стали, что позволяет обрабатывать их в течение длительного промежутка времени без дополнительного нагрева. Чем выше содержание углерода, тем этот промежуток меньше.

Другие металлы, например алюминий, имеют более низкий температурный интервал обработки. Для сплава ВД17 он составляет 400–470 °C.

Во время ковки металл постепенно остывает и с трудом поддается деформации. Поэтому останавливать процесс надо уже при достижении температуры, которая на 20–30 °C выше Тк.

Табл. 5 содержит информацию о температурных интервалах некоторых марок стали.

Таблица 5. Температурные интервалы ковки

Определение времени нагрева зависит от многих факторов. Не рекомендуется брать заготовки слишком большого диаметра, так как на полное прогревание требуется слишком много времени, за которое образуется большой слой окалины. В то же время, если слишком поспешить, то внутренние слои не приобретут достаточной пластичности и могут потрескаться.

Скорость нагрева зависит также от сечения заготовки. Быстрее нагреваются круглые детали, медленнее – квадратные. У изделий большего сечения разница почти отсутствует. Нагрев в горне, заправленном древесным углем, круглой заготовки диаметром 10–20 мм происходит за 2–4 минуты, а квадратной – за 3–5 минут.

Если размеры больше 30 мм, то время увеличивается до 8–15 минут, а у заготовок диаметром до 50 мм нагрев занимает до 25 минут.

Поскольку каменный уголь дает меньшее количество тепла, то нагревать на нем деталь придется немного дольше. Для того, чтобы получить гарантированно ровный прогрев, поковки рекомендуется выдерживать в огне в течение срока, больше требуемого на 25 %.

Отжиг

Очень часто для выполнения художественных изделий требуется пластичная поделочная сталь, а под рукой оказалась только инструментальная. Как поступить в таком случае? Ковкость металла можно повысить, проведя отжиг.

Как известно, содержащая меньшее количество углерода сталь более пластична.

При отжиге сталь более высокой марки нагревается в горне при температуре 650–720 °C, что соответствует темно-красному цвету каления, в течение 2–3 часов.

Регулировать режим ковки можно интенсивностью поддува. Периодически уровень накала надо проверять, охлаждение и перегрев одинаково нежелательны.

По прошествии нужного времени горн выключают и заготовке дают постепенно остыть. Чем медленнее будет происходить этот процесс, тем пластичнее станет металл. Если отжиг проводится на древесном угле, то можно закопать заготовку в золу и оставить в таком виде на несколько часов.

Окалина

При нагревании стальных изделий на поверхности образуется слой оксидов железа, называемый в кузнечном деле окалиной. Пластичность металла после ее появления заметно снижается.

С повышением температуры окисление становится более интенсивным, особенно после 900 °C. Образование окалины гораздо сильнее при избытке воздуха, наличие которого определяется по коротким прозрачным языкам пламени. Ее верхний слой, называемый шубой, частично предохраняет металл от дальнейшего окисления.

Параллельно происходит выделение углерода из верхних слоев материала, вследствие чего металл становится менее прочным и хуже закаливается.

У заготовок большого размера часть газа из внутренних слоев переходит во внешние, и металл немного восстанавливает свою пластичность.

В условиях кузницы полностью защитить поковку от образования окалины невозможно. Для уменьшения этого процесса применяют скоростной нагрев, однако делать это можно не во всех случаях.

Следует также отметить, что образование окалины происходит не только во время нагревания, но и в течение ковки. Поэтому при переносе надо следить за тем, чтобы слой «шубы» не осыпался.

Обрабатывая металл на наковальне, окалину удаляют только с тех частей, которые подвергаются деформации. У заготовок из малоуглеродистых сталей нагар легко удаляется ударами ручника.

Перед тем как положить заготовку в горн, на нее наносят специальные обмазки. Они не только защищают металл, но и являются хорошим смазывающим материалом, снижающим время нагрева и увеличивающим пластичность металла.

Простой способ защиты от окалины мелких изделий из инструментальной стали, например чеканов, напильников и т. п., – нагревать их внутри герметично закрытой трубы.